专利名称：一种用于光固化快速成型设备的树脂液面控制及涂覆装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于光固化快速成型设备，控制光敏树脂液面 高度稳定以及在需要成型工件表面形成一层均匀树脂涂覆层的树脂液面 控制及涂覆装置。
技术背景
快速原型制造技术又简称快速成形技术，其核心是基于数字化的新 型成形技术，它可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有 一定功能的原型或直接制造零件工件，能有效地縮短产品的研发周期， 是提高产品质量、縮减产品成本的有力工具。光固化快速成型是以在特 定波长的光辐射下能快速固化的光敏树脂为材料，根据工件的CAD三维 模型数据，通过计算机控制的激光光束扫描或可编程光掩模的投影使光 敏树脂表层固化而形成工件的一个堆积层。然后，承载工件的工作台按 工艺的要求沿垂直方向下移至一个堆积层的距离使已固化的光敏树脂， 即成型工件堆叠层，表面重新涂覆上一层未固化树脂，重复前述的光固 化步骤使新固化树脂的堆积层粘结在前一次固化的堆积层上，这一过程 不断重复直至整个工件制造完成为止，用这种方法可以快速制造出任意 复杂形状的设计原型。
显然，在上述的光固化过程中，维持树脂液面在同一高度并设法在 已固化的树脂表面，即需要成型的工件，均匀地涂覆上一层未固化树脂 层并保证其层厚的精度十分非常重要，.它直接影响成型工件在垂直方向 的尺寸精度，偏差严重会导致整个工件报废。
通常有两种方法用于光固化快速成型设备的光敏树脂液面高度控 制。 一种是溢流法，它是一种简单可行的方法，其原理是通过一个连续
运行的泵不断地将附槽中的树脂补充到主槽中，当主槽中树脂高于溢流 口的高度时多出的树脂会溢流回到附槽，此过程不断的重复从而维持树 脂液面在某一固定的高度，由溢流口的高度决定。由于受树脂粘滞性的 影响，树脂溢流时液面有一高度差，当树脂的粘滞度变化，主要是温度 的影响、泵的流量变化、树脂补充口和溢流口设计不合理等都会造成树 脂液面高度差变化较大。因此，溢流法多用于对叠层厚度的精度要求不 高的场合。另一种是光学测控法，它是一种精度较高的方法。这种方法
是利用非敏感波长的激光束照射树脂液面，通过CCD成像器件或PSD位 置传感器探测树脂液面散射光斑或反射光束的位置而检测出树脂液面的 高度，然后再通过计算机控制马达升举树脂槽或调节树脂槽中活塞位置 的方式来维持树脂液面在某一所需的高度。光学测控法比较复杂，且由 于不同的树脂材料对光的散射和反射差异很大，这种方法对不同树脂材 料的适用性也受到一定的限制，如对透明无色的树脂材料，测量就比较 困难。
常用的在已固化树脂层表面涂覆一层未固化光敏树脂的方法是当 工件上原涂嫌的一层树脂被固化后，承载工件的工作台按工艺的要求沿 垂直方向下移某一距离，如要求树脂的涂覆层厚为0. lmin，则下移0.5mm 的距离甚至更大，使工件完全浸没于树脂中，然后工作台上移0.4mm使 工件表面形成一层0. lmm厚的未固化的树脂层。实际上，由于光固化树 脂是一种高粘滞性的材料而不易自然流平，仅用此方法无法获得厚度均 匀的树脂涂覆层，通常还必须辅以能作水平运动的刮平装置来加速树脂 的流平，刮平装置可以是普通的片式刮刀或是带有负压吸附空腔的刮刀。 前者在工作时需要调整刀口位置与树脂液面高度完全一致，利用刀口的
刃锋把多余的树脂刮走并加速树脂的流平，由于作刮平运动时刮刀前后 的树脂存在压力差和树脂粘滞力的拖曳作用会造成树脂的回流，使树脂涂覆层的均匀度和层厚精度都受到影响，此外由于树脂固化时收縮引起 的工件微小翘变、树脂液面高度控制的误差及承载工件的工作台移动的
误差都会极易使刮刀在运动时碰到已固化的树脂层从而毁坏工件；后者 是把刮平装置做成具有空腔结构的刮刀并调整刀口位置略高于树脂液面 0. lmra 0. 3mm，利用负压原理和树脂表面的张力毛细现象可使刮刀的空 腔内存有一定量的树脂，刮刀运动时，刮刀刀口可以把工件上未固化树 脂层的凸出部分刮平而刮刀空腔内的树脂则可以把凹陷部分填平，虽然 这种结构的刮刀在运动时不会与已固化的树脂层直接接触，但由于刀口 与树脂液面之间有一间隙，托架升降引起树脂液面的微小变化，工件下 沉时由于树脂粘滞不易流动而引起的凹陷或是刮刀快速运动等原因极容 易使刮刀的空腔失去负压而影响工件上未固化树脂层涂覆的均匀性，最 终影响工件制作的质量甚至导致失败。同时，上述的工艺过程在工件表 面形成未固化树脂涂覆层时托架必须作上下的往返运动，它引起主槽的 树脂液面高度变化很大，需要较长的时间等待树脂自然流平，延长了工 件的制作时间，降低了工作效率。
另外，上述树脂液面的髙度控制和树脂层的涂覆在实际使用中往往 各自独立为子系统，树脂液面高度控制和树脂层涂覆两个子系统之间的 协调控制比较复杂。因此，现有技术难以方便地实现树脂液面高度的精 确控制和保证树脂涂覆层的均匀度和层厚精度。
发明内容
本实用新型的目的就是克服现有技术的不足，提出一种用于光固化 快速成型设备的树脂液面控制及涂覆装置，将树脂液面高度控制和树脂 层涂覆结合在一起，实现树脂液面高度的精确控制和保证树脂涂覆层的 均匀度和层厚精度，并且不易损坏成型工件，提高工作效率。
为实现上述目的，本实用新型一种用于光固化快速成型设备的树脂液面控制及涂覆装置，包括涂覆树脂液面的刮刀、和计算机连接并可使 刮刀作水平往复运动的刮刀移动台、和计算机连接且用作抽取光敏树脂 液体的微量泵、盛装光敏树脂液体的主槽和附槽，主槽设有溢出口，附 槽设于主槽的外侧且和主槽溢出口相通，刮刀移动台装有位于主槽树脂 液面上方的刮刀，该刮刀具有底部开口的空腔，微量泵的进液口置于附 槽内，还包括一柔性管道，其两端分别连通刮刀的空腔上部和微量泵的 出液口。
上述刮刀和主槽树脂液面之间的距离可以为0. lmm 0. 5咖。
在一种实施方式中，上述刮刀为中空的立式长方体形，其空腔的底 部开口位于长方体的底面。
为避免光敏树脂液体在刮刀底部外壁凝结，刮刀的底部外壁可以设 有外侧刀锋。为避免光敏树脂液体在刮刀的空腔底部开口内壁凝结，刮 刀的空腔底部开口内壁还可以设有内侧刀锋，刮刀的空腔底部开口则为 内侧刀锋之间的空隙。
本实用新型通过微量泵抽取附槽中的树脂液体，经过一柔性管道注 入到刮刀的空腔，当刮刀作往复水平运动时，刮刀可以把工件上未固化 树脂层的凸出部分刮平，同时刮刀空腔内的树脂液体在重力作用下流下， 可以把凹陷部分填平，从而工件表面形成一层均匀的未固化树脂涂敷层。 主槽开有溢流口 ，当树脂液面高出溢流口时多出的树脂液体可以通过溢 流口流到附槽中，附槽中的树脂液体则可通过微量泵，经过一柔性管道 和刮刀补充到主槽，以此维持主槽的树脂液面高度不变。
本实用新型由于主槽开有溢流口，并通过一柔性管道，将附槽内的 光敏树脂液体注入水平往复运动刮刀的空腔，所以，可同时实现主槽树 脂液面高度控制和工件表面未固化树脂层的涂覆。它不但可以克服普通 刀片式的刮平方法容易损坏工件和涂层不均匀的缺点，也可以克服负压
吸附式刮刀容易失去负压而使树脂涂层均匀度和层厚精度降低的缺点； 由于在工件表面形成未固化树脂涂覆层时托架仅霈作下降一固化层厚度 距离的运动，它对主槽的树脂液面高度影响较小，不需要等待很长的自 然流平时间，从而提高了工作效率。
图1是本实用新型实施例的结构示意图2是本实用新型实施例刮刀的外形示意图3是图2刮刀的截面示意图4是图2刮刀的安装示意图；；
图5是本实用新型实施例光敏树脂液体的流向示意图6是应用本实用新型实施例的光固化快速成型设备的工作原理示
意具体实施方式
以下结合附图详述本实用新型实施例的结构细节
如图l所示，本实用新型包括主槽l、附槽2、刮刀8、刮刀移动台 10、微量泵6和柔性管道7。主槽1设有溢出口3，附槽2设于主槽1的 外侧且和主槽溢出口 3相通，主槽1用于盛装工件成型所需的光敏树脂 液体4，附槽2用于盛装在工件成型过程中因维持主槽1树脂液面13的 高度稳定而通过溢流口 3流出的多余树脂液体5。
如图2、图3所示，刮刀8具有底部开口的空腔9，为中空的立式长 方体形，其空腔9的底部开口91位于长方体的底面。刮刀8的底部外壁 设有外侧刀锋81，刮刀8的空腔底部开口内壁设有内侧刀锋82，刮刀8 的空腔底部开口 91为内侧刀锋82之间的空隙。刮刀8涂覆主槽1的树 脂液面13，其空腔9内的树脂液体用于在工件表面进行未固化树脂层的 涂敷和向主槽1补充树脂液体来维持主槽1树脂液面13的高度稳定。
如图4所示，刮刀移动台10装有位于主槽树脂液面13上方0. lmm 0. 5mm距离的刮刀8，刮刀移动台10的电机101连接计算机，通过计算 机控制刮刀移动台10的电机101旋转，进而控制刮刀8沿刮刀移动台10 的导轨作水平往复运动。当刮刀8按图4中a箭头所示方向作往复水平 运动时，将刮刀空腔9内的树脂液体注入主槽1的同时，完成在工件表
面上涂敷一层均匀的未固化树脂层和加速树脂液体流平。
如图5所示，微量泵6的进液口61置于附槽2内， 一柔性管道7的 两端分别连通刮刀8的空腔9上部和微量泵6的出液口 62。微量泵6通 过柔性管道7的连接，可把附槽2的树脂液体5输送到刮刀8的空腔9 内，并可补充到主槽l内。微量泵6的电机63连接计算机，通过计算机 控制微量泵6的电机63旋转，进而控帝IJ微量泵6的开关和抽取树脂液体 的流量，也即控制通过柔性管道7注入刮刀空腔9的树脂液体流量。微 量泵6抽运附槽2的树脂液体5，按图5中的A、 B箭头方向补充到刮刀 8的空腔9内，刮刀空腔9内的树脂液体由于重力的作用按C箭头的方向 流向主槽l,刮刀8移动时在工件的表面形成一层均匀的树脂涂敷层。当 主槽1的树脂4液面高于溢流口 3时，多余的树脂液体通过溢流口 3按D 箭头方向流到附槽2，从而维持主槽1的树脂液面在溢流口 3的高度不变。 在等待树脂液体自然流平和光束扫描期间，刮刀8停留在靠溢流口 3的 一侧，它可减少因刮刀空腔9内的树脂液体流到主槽1时引起的树脂液 面梯度变化。
以下详述应用本实用新型实施例光固化快速成型设备的工作过程 如图6所示，在工件14的制作过程中，当完成工件14表面当前的 一层树脂固化后，计算机19控制托架移动台11使工件14下移一固化层 的距离，并且刮刀8作图中a箭头方向所示的往复水平运动，起到在工 件14的表面上涂敷上新一层未固化树脂和加速树脂液体流平的作用。在 整个工作过程中，紫外激光器17发出的激光束经动态调焦装置16和扫 描器15形成扫描主槽1光敏树脂液面13的激光束18，计算机19根据工 件设计的分层数据或支撑数据控制激光束18在主槽1的光敏树脂液面13 作二维扫描形成一固化层。在光束扫描的同时，动态调焦装置16也在计 算机19的控制下根据扫描器15反射镜的偏转角度进行动态焦距调整， 确保光束光斑的大小在整个扫描面不变。当一层树脂扫描固化完成后， 计算机19根据工艺要求控制移动台11带动托架12使工件14下降一固 化层的距离，通常为0. lmm，同时微量泵6开始工作，将附槽2的树脂液 体输送到刮刀8的空腔9内，计算机19通过刮刀移动台10控制刮刀8 作往复的水平运动。由于光敏树脂液体的粘滞性，托架12下移后工件14 表面的树脂液体会出现凸出或凹陷的现象，刮刀8的往复水平运动一是 加速工件14表面凸出的树脂液体流平，二是向工件14表面凹陷部分补 充树脂液体，形成新的一层待固化树脂层。刮刀8通过往复的水平运动 来完成一层未固化树脂的涂敷，确保了树脂层涂敷的均匀。刮刀8停止 运动的停留位置是位于主槽1溢流口 3的一侧，使刮刀8作返回运动时， 可以快速地将由于托架12下移或刮刀空腔9内的树脂液体在重力作用下 流向主槽1引起的主槽1树脂液面13升高而多出来的树脂液体刮到靠溢 流口 3的位置，加快树脂液体向溢流口 3流动，并可减少因刮刀8空腔9 内的树脂液体流到主槽1时引起树脂液面梯度的变化，从而维持树脂液 体的液面高度稳定。
权利要求1、一种用于光固化快速成型设备的树脂液面控制及涂覆装置，包括涂覆树脂液面的刮刀、和计算机连接并可使刮刀作水平往复运动的刮刀移动台、和计算机连接且用作抽取光敏树脂液体的微量泵、盛装光敏树脂液体的主槽和附槽，主槽设有溢出口，附槽设于主槽的外侧且和主槽溢出口相通，刮刀移动台装有位于主槽树脂液面上方的刮刀，该刮刀具有底部开口的空腔，微量泵的进液口置于附槽内，其特征在于还包括一柔性管道，其两端分别连通刮刀的空腔上部和微量泵的出液口。
2、 根据权利要求1所述的树脂液面控制及涂覆装置，其特征在于所述刮刀和主槽树脂液面之间的距离为0. lmra 0. 5mm。
3、 根据权利要求1所述的树脂液面控制及涂覆装置，其特征在于所 述刮刀为中空的立式长方体形，其空腔的底部开口位于长方体的底 面。
4、 根据权利要求3所述的树脂液面控制及涂覆装置，其特征在于所 述刮刀和主槽树脂液面之间的距离为0. lmm 0. 5mm。
5、 根据权利要求1至4任一项所述的树脂液面控制及涂覆装置，其特 征在于所述刮刀的底部外壁设有外侧刀锋。
6、 根据权利要求5所述的树脂液面控制及涂覆装置，其特征在于所述刮刀的空腔底部开口内壁设有内侧刀锋，所述刮刀的空腔底部开 口为内侧刀锋之间的空隙。
7、 根据权利要求1至4任一项所述的树脂液面控制及涂覆装置，其特 征在于所述刮刀的空腔底部内壁设有内侧刀锋，所述刮刀的空腔 底部开口为内侧刀锋之间的空隙。
专利摘要一种用于光固化快速成型设备的树脂液面控制及涂覆装置，包括涂覆树脂液面的刮刀、和计算机连接并可使刮刀作水平往复运动的刮刀移动台、和计算机连接且用作抽取光敏树脂液体的微量泵、盛装光敏树脂液体的主槽和附槽，主槽设有溢出口，附槽设于主槽的外侧且和主槽溢出口相通，刮刀移动台装有位于主槽树脂液面上方的刮刀，该刮刀具有底部开口的空腔，微量泵的进液口置于附槽内，还包括一柔性管道，其两端分别连通刮刀的空腔上部和微量泵的出液口。本实用新型可同时完成主槽树脂液面高度控制和工件表面未固化树脂层的涂覆，实现树脂液面高度的精确控制和保证树脂涂覆层的均匀度和层厚精度，并且不易损坏成型工件，提高工作效率。
文档编号B29C67/00GK201070835SQ20072005275
公开日2008年6月11日 申请日期2007年6月14日 优先权日2007年6月14日
发明者刘玉鹏, 张俊杰, 李伟良, 李耀棠, 贾启云, 赵光华 申请人:中国科学院广州电子技术研究所